專利名稱：煙霧檢測器的改進(jìn),尤其是管道煙霧檢測器的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對懸浮在流體中的微粒的檢測，尤其是煙霧檢測器。本發(fā)明適于安裝在管道上，用于早期檢測由于在與該管道相連的保護(hù)區(qū)或防火區(qū)中的材料的意外熱解或燃燒而產(chǎn)生的煙霧。
該管道可以是用于控制保護(hù)區(qū)中的溫度和/或空氣質(zhì)量的通風(fēng)管或空調(diào)管。
本發(fā)明同樣可以自由安裝或布置在開放環(huán)境中，也就是，本發(fā)明并不必須管道安裝。所述實(shí)例僅僅用于對本發(fā)明的解釋，管道安裝也僅僅是一個優(yōu)選實(shí)施例。并不是這樣限定本發(fā)明的范圍。
背景技術(shù)：
管道安裝的煙霧檢測器采集很少量的、經(jīng)過空氣管例如通風(fēng)井的空氣試樣，并將檢測在該試樣中的煙霧存在，從而當(dāng)煙霧濃度超過表示在保護(hù)區(qū)中有火的預(yù)定值時，將發(fā)出警報。
目前，主要設(shè)計(jì)為在保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行天花板安裝的普通點(diǎn)式煙霧檢測器用于管道安裝。該檢測器安裝在密封殼體內(nèi)，該密封殼體將安裝在管道外部，該殼體裝有一對直的管狀探針，該探針伸入管道內(nèi)，并用于從管道內(nèi)部抽取連續(xù)的少量空氣試樣，并使該試樣或試樣的一部分通過相鄰的檢測器。
當(dāng)由于大量空氣通過該管道而使煙霧有較大稀釋時，將會使檢測困難。對于該稀釋，發(fā)現(xiàn)這樣的檢測器不夠靈敏，從而不足以提供合適的、對于生命安全較早的警報。而且，盡管通常還包括防蟲網(wǎng)和灰塵過濾器以保護(hù)檢測器免受污染，但這通常不足以防止通道堵塞或光學(xué)表面的污染。由于潮氣冷凝、污染和由灰塵引起的錯誤警報，該檢測器自身并不可靠，通常的使用壽命并不令人滿意，只能進(jìn)行幾個月的測量。
為了克服這些缺點(diǎn)，高靈敏度的抽氣式煙霧檢測器已經(jīng)用于管道監(jiān)測。這些檢測器的靈敏度比普通的點(diǎn)式檢測器高幾百倍，因此克服了煙霧稀釋的缺點(diǎn)。
通過抽氣器(空氣泵)獲得的吸入壓力能夠克服灰塵過濾器的制約，從而能夠采用更高效的過濾器，以避免意外的灰塵污染和可能的假警報。
多年來，本發(fā)明人一直在對抽氣式煙霧檢測器進(jìn)行改進(jìn)，如本人的澳大利亞專利575845、3184384、4229885、3023684、3184184、3453784、3400593、8070891、2774692、4050493和4050393所述，其相應(yīng)的海外專利包括西歐、北美、日本和新西蘭的專利。
抽氣式煙霧檢測器采用抽氣器來通過灰塵過濾器和煙霧監(jiān)測室吸入連續(xù)的空氣試樣。該抽氣器也可以從通風(fēng)井吸入試樣，或者可以選擇通過長距離的管道系統(tǒng)來吸入試樣。
當(dāng)通過管道系統(tǒng)時，它為較小的孔，并通常安裝在頂板上，該頂板具有以規(guī)則間隔鉆出的采樣孔，從而能夠從整個保護(hù)區(qū)域主動抽吸空氣試樣。比較而言，普通類型的煙霧檢測器依賴于對流或通氣，以便被動地吸入煙霧，并使煙霧通過檢測器室。
不管是否將使用管道或管道系統(tǒng)，用于抽氣式煙霧檢測系統(tǒng)中的理想的煙霧檢測器是煙霧計(jì)。它是對在起火時或者在過熱、熱解或悶燒的早期階段所產(chǎn)生的各種大小的煙霧微粒都敏感(悶燒通常至少在出現(xiàn)火焰前1小時出現(xiàn))。
現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)類型的煙霧(或空氣傳播微粒)檢測器通常采用單個光源(或投射燈)來照射可能包含該微粒的檢測區(qū)。該光的一部分可能由微粒朝著單個接收器單元(或傳感器)散射，該單個接收器單元布置成能夠提供可接受的檢測性能。現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)類型包括將一個或多個附加的傳感器布置成接收沿不同方向散射的光。從兩個或更多傳感器發(fā)出的輸出信號用于提供關(guān)于微粒大小或者一組微粒的平均大小的進(jìn)一步信息。該現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是它采用單一波長的光源，對火焰燃燒中產(chǎn)生的小微粒不敏感。
其它檢測技術(shù)采用激光束，該激光束提供偏振單色光源，通常在紅外波長附近。這樣的檢測器將對較大微粒有很高的靈敏性，代價是對較小微粒(也就是比光的波長更小)的靈敏性較低。因此，基于激光的檢測器不能作為真正的煙霧計(jì)。該缺點(diǎn)可以通過采用多個接收傳感器而緩解，這些接收傳感器布置成檢測以各種角度和偏振性而散射的光，但是只采用了一個波長的光。
某些抽氣式煙霧檢測器已經(jīng)采用了單個激光二極管射束，但是它也有采用單個波長的相同缺點(diǎn)，并且對由火焰燃燒發(fā)出的煙霧靈敏性較低。采用抽氣式檢測器的其它缺點(diǎn)在于成本較高、耗能、復(fù)雜以及大小。
不管是否抽氣，所有上述現(xiàn)有技術(shù)所具有的缺點(diǎn)，即它們對火焰燃燒特征的小微粒不敏感，使得在很多實(shí)例中要求安裝附加的電離型煙霧檢測器。這些檢測器利用放射性元素例如镅來使腔室內(nèi)的空氣電離。當(dāng)煙霧微粒代替電離空氣時，該腔室的電導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致發(fā)出警報。該檢測器對火焰燃燒產(chǎn)生的小微粒敏感，但對熱解或悶燒產(chǎn)生的較大微粒不敏感。該檢測器也會由于通氣而發(fā)出假警報，該通氣同樣會代替電離空氣。因此，對著火初期不敏感和易于發(fā)出假警報使得電離型檢測器也是一種不可接受的選擇。
另外，抽氣式煙霧檢測器也采用氙燈作為單一光源，它產(chǎn)生類似于陽光的連續(xù)光譜，包括紫外線、可見光和紅外線波長。使用該連續(xù)光譜能夠檢測全部大小的微粒，并產(chǎn)生與煙霧質(zhì)量密度成正比的信號，這是迄今為止最可靠的著火檢測方式。盡管它能夠作為真正的煙霧計(jì)，但是它并不能表示火的類型。還一缺點(diǎn)是不能選擇特定波長，除非采用復(fù)雜、昂貴和相對不很可靠的機(jī)械運(yùn)動式濾色器系統(tǒng)。該方法的其它缺點(diǎn)是氙燈的使用壽命通常僅限于4年、光強(qiáng)變化以及需要昂貴的高壓電供給。
其它的現(xiàn)有技術(shù)還采用兩個光源。例如，Kane & Ludlow的GB2193570(5-10-1980)公開了采用一個激光束來檢測空氣傳播微粒的大小和球形度，需要不超過5個精確定位的傳感器。相同波長的第二激光束用于根據(jù)單個微粒在視域中的存在而打開和關(guān)閉第一激光。該第二激光用于提高系統(tǒng)的信噪比，但不確定微粒的大小和球形度。該系統(tǒng)對于高容量火警業(yè)來說太昂貴了。
在另一實(shí)例中，Beconsall等的US4426640(5-8-1986)公開了一種采用兩個光源的污染氣體檢測器，但是它并不是空氣傳播微粒的計(jì)數(shù)器。它使用在將檢測的氣體的吸收波長下工作的第一激光以及在參考波長下工作的第二激光，該參考波長必須與吸收波長近似，但并不相同。這兩激光束“大量”投射到大氣中(化學(xué)廠周圍)，在各波長處接收的信號的相對強(qiáng)度提供了對污染氣體的濃度的測量。
應(yīng)當(dāng)知道，在各種熱解和燃燒情況下產(chǎn)生的煙霧類型是不同的?？焖倩鹧嫒紵龑a(chǎn)生非常多且非常小的固體微粒，這些固體微粒聚集成任意形狀，從而形成煙灰。相反，熱解的早期階段將產(chǎn)生少得多且相當(dāng)大的液體微粒(高沸點(diǎn))，通常以懸浮微粒形式存在，這些懸浮微粒可以聚集以形成較大的半透明球體。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測到較大微粒的量在一段時間內(nèi)緩慢增加時，這表示熱解或悶燒狀態(tài)，需要注意。
也可能，檢測到大量的小微?？焖俪霈F(xiàn)，且沒有早期熱解或悶燒階段，這表示縱火，這時采用了促燃物，需要馬上采取措施。對這些極端情況之間的狀況進(jìn)行判斷的能力將有助于建筑工人、消防隊(duì)或自動火警報警系統(tǒng)對潛在危險作出合適的反應(yīng)。
現(xiàn)有技術(shù)的另一方面是它對灰塵的敏感性?；覊m在兩方面很重要。首先，空氣傳播的灰塵通常會被檢測器誤認(rèn)為煙霧，這樣，灰塵增加可能導(dǎo)致發(fā)出假火警。其次，即使利用分辨裝置來減少假警報率，仍然有污染的問題。污染是灰塵在檢測器中緩慢積累。這將通過降低它對煙霧的敏感性和/或降低它的防止假警報的安全裕度，從而影響該檢測器的可靠性。該檢測器的使用壽命主要受污染控制，因此需要定期維修。使檢測器能夠減小污染和能夠分辨煙霧微粒將很有利。而且，在某些用途中，識別灰塵的存在可以用于檢測某一區(qū)域的清潔度。迄今為止，當(dāng)用于微芯片制造業(yè)時，這一特殊作用需要采用非常昂貴的灰塵微粒計(jì)數(shù)器，當(dāng)用于辦公室環(huán)境中時，該灰塵微粒計(jì)數(shù)器非常易于被污染。
剛性、尺寸小和重量輕的煙霧和/或灰塵檢測器能夠很好地用于航空航天業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種煙霧檢測器裝置，該煙霧檢測器裝置能夠檢測的微粒大小的范圍很寬，并能夠根據(jù)微粒的大小分辨不同種類的煙霧或灰塵。該煙霧檢測器裝置適于安裝在空氣管或通風(fēng)管上。本發(fā)明的目的是提供一種煙霧檢測器和一種檢測系統(tǒng)，該煙霧檢測器和檢測系統(tǒng)有相對較長的使用壽命，同時在兩次維修之間具有相對較長的時間間隔。
本發(fā)明的目的是提供一種煙霧檢測器系統(tǒng)，該煙霧檢測器系統(tǒng)具有相對較高的靈敏性，同時能夠不使用抽氣器。
本發(fā)明提供了一種用于檢測在流體中懸浮的微粒的裝置，該裝置包括光源，該光源適于提供至少第一照射和第二照射；一微粒檢測區(qū)，試樣流體流將流過該微粒檢測區(qū)；邏輯裝置，用于通過第一或第二照射來交替照射檢測區(qū)；傳感器裝置，用于接收由在檢測區(qū)內(nèi)的微粒散射的光；以及輸出裝置，用于指示在檢測區(qū)中的預(yù)定狀態(tài)。
該裝置可以進(jìn)行管道安裝，或者可以不進(jìn)行管道安裝。
優(yōu)選是，在微粒檢測裝置中，該光源包括至少2個光源，裝置的部件機(jī)械固定就位，該第一和第二照射獨(dú)立進(jìn)行輻射，該第一和第二照射具有不同的偏振性，該第一和第二照射處于不同位置，和/或該第一和第二照射具有不同波長，例如一個的光為較短波長，另一個的光為較長波長。
優(yōu)選是，光源包括一對光源，一個的光為較短波長，另一個的光為較長波長。
也可選擇，該光通過分別有不同相對偏振性的偏振透鏡來投射，或者不同偏振性的光源例如激光二極管設(shè)置成有不同的偏振性和/或波長。
本發(fā)明的改進(jìn)在于能夠?qū)^寬范圍的微粒大小保持靈敏性，也能根據(jù)微粒大小判斷不同種類的煙霧或灰塵，同時還能獲得相對較長的使用壽命、較小尺寸、較輕重量和較低成本。
光源可以以與檢測區(qū)軸線所成角度相同的方式投射光，或者可以選擇，以不同角度投射光。通常，光源以脈沖方式工作，這樣，一時只有一個波長的光工作。電子電路的系統(tǒng)增益可以調(diào)節(jié)，這樣，在標(biāo)定狀態(tài)下，各光源能夠在接收傳感器上產(chǎn)生相同的信號電平。此外，接收傳感器選擇為使它具有合適的工作帶寬(對所用的全部波長都敏感)。
可以采用超過兩個波長的光或偏振光或者它們的組合，以便對在檢測室內(nèi)遇到的各種類型的微粒都有非常高的靈敏性或分辨能力，不管該微粒是較小或較大的煙霧微?；蛘呋覊m微粒。
接收傳感器也可以有偏振濾鏡。這樣，可以沒有光源工作或者同時使全部光源都工作。
因此，光源可以依次發(fā)出脈沖，并對傳感器所接收的脈沖的絕對和相對幅值進(jìn)行分析，以便確定煙霧濃度和微粒大小分布，從而說明煙霧的類型。
根據(jù)本發(fā)明的更特殊的方面，提供了一種煙霧檢測器和煙霧檢測方法，其中，檢測器有本體；至少兩個投射燈，該投射燈安裝在該本體內(nèi)，用于向接收空氣試樣的檢測區(qū)內(nèi)投射光；至少一個光接收傳感器，該光接收傳感器安裝在本體內(nèi)，用于接收從該檢測區(qū)散射的光，該裝置設(shè)置成這樣，即，照射在進(jìn)入檢測區(qū)的煙霧和灰塵微粒上的不同波長、偏振性和/或角度的脈沖投射光將產(chǎn)生散射光，該散射光表示煙霧微粒大小的范圍和/或灰塵微粒的存在，接收至少部分所述散射光的所述傳感器用于提供信號，通過分析信號，可以確定煙霧濃度和微粒大小和/或范圍。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面，提供了一種煙霧檢測的方法和煙霧檢測器，該煙霧檢測器包括一本體，該本體有一進(jìn)口，包括空氣的流體試樣能夠通過該進(jìn)口提供，該本體還有一輸出裝置，用于指示警報狀態(tài)，該方法和檢測器采用微粒檢測單元，該微粒檢測單元包括光源和微粒大小判斷裝置，其中，通過分析在經(jīng)過預(yù)定時間后選定微粒大小和/或范圍的濃度變化，從而提供警報狀態(tài)。
優(yōu)選是，該微粒大小判斷裝置檢測較小和較大微粒大小和/或范圍的存在。
優(yōu)選是，該微粒大小判斷裝置包括第一光源，用于檢測相對較小的微粒大小和/或范圍；以及第二光源，用于檢測相對較大的微粒大小和/或范圍。
優(yōu)選是，該第一和第二光源交替起作用。
優(yōu)選是，微粒大小判斷裝置利用相對較短波長的光和相對較長波長的光來檢測微粒大小和/或范圍。
還一方面涉及煙霧檢測器，該煙霧檢測器包括檢測單元和/或可操作地如本文所述進(jìn)行警報狀態(tài)的檢測。
本發(fā)明的還一方面是提供一種檢測關(guān)于熱解、悶燒和/或冒煙現(xiàn)象的警報狀態(tài)的警報檢測器和方法，其中，提供流體試樣，使由光源發(fā)射的光照射在流體試樣上，由該發(fā)射光確定微粒大小，且在經(jīng)過預(yù)定時間后，確定選定微粒大小和/或范圍的數(shù)量或濃度是否變化，由此，當(dāng)選定微粒大小和/或范圍的微粒數(shù)量和濃度落在選定的關(guān)鍵值內(nèi)時，可以發(fā)出警報。
優(yōu)選是，所確定的微粒大小和/或范圍是相對較小和相對較大的微粒大小和/或范圍。
優(yōu)選是，在確定微粒大小和/或范圍時，采用用于檢測相對較小微粒大小和/或范圍的第一光源以及用于檢測相對較大微粒大小和/或范圍的第二光源。
優(yōu)選是，在確定微粒大小和/或范圍時，該第一和第二光源交替起作用。
優(yōu)選是，在確定微粒大小和/或范圍時，采用波長相對較短的光和波長相對較長的光。
根據(jù)本發(fā)明的還一特殊方面，不同波長的光的所述脈沖可以為相對較短的波長，例如紫外線或藍(lán)色光；以及相對較長的波長，例如紅外線或紅色光。
根據(jù)本發(fā)明的還一特殊方面，該光源由具有不同波長(顏色)的發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)生，和/或利用偏振濾鏡產(chǎn)生，各濾鏡設(shè)置成具有不同的相對偏振性。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面，該光源由具有不同波長(顏色)的激光二極管產(chǎn)生，和/或設(shè)置成具有不同的相對偏振性。
本發(fā)明還提供了一種煙霧檢測器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個煙霧檢測器，其改進(jìn)包括從管道來采集流體試樣，并傳送給至少一個如上述的檢測器。
本發(fā)明還提供了一種具有管道的結(jié)構(gòu)，其改進(jìn)在于從管道中采集試樣以便進(jìn)行預(yù)定狀態(tài)的檢測。
在本發(fā)明的一個特殊方面，管道中的空氣試樣通過安裝在管道內(nèi)的探針抽取，該探針包括進(jìn)口孔和出口孔。
在本發(fā)明的還一方面，空氣試樣可以直接從管道或管中抽取到煙霧檢測器裝置中，其中，該管道或管形成為文氏管結(jié)構(gòu)，以便在檢測器室和管道之間產(chǎn)生足夠的相對壓。
本質(zhì)上，在本發(fā)明的一個方面，需要利用超過一個波長的光來檢測更完全范圍的微粒大小和火的類型，并對它們進(jìn)行判斷。本發(fā)明的另一方面發(fā)現(xiàn)，確定微粒在經(jīng)過一定時間后的濃度、大小和/或范圍將很好地表示是否滿足警報狀態(tài)或是否安全。本發(fā)明的還一方面基于有至少兩個照射微粒檢測區(qū)的光源和一個檢測裝置，該檢測裝置提供表示微粒檢測區(qū)預(yù)定狀態(tài)的輸出信號。具有兩個光源能夠分辨微粒大小，同時只使用一個接收傳感器。本發(fā)明的還一方面是識別灰塵微粒，以便監(jiān)測灰塵水平或避免假火警。


圖1a是沿?zé)熿F檢測器本體的線1-1的剖視平面圖；圖1b所示為一種可選的煙霧檢測器本體的平面圖；圖1c所示為還一可選的煙霧檢測器本體的平面圖；圖2是沿?zé)熿F檢測器本體的線2-2的正剖圖；圖3是沿?zé)熿F檢測器本體的線3-3的橫剖圖，表示氣體試樣進(jìn)口管道系統(tǒng)；圖4是沿?zé)熿F檢測器本體的線4-4的橫剖圖，表示它的過濾器室和擴(kuò)壓器管道；圖5是沿?zé)熿F檢測器本體和殼體的線5-5的剖視圖；圖6是沿?zé)熿F檢測器本體和殼體的線6-6的剖視圖；圖7是煙霧檢測器本體的進(jìn)氣孔/出氣孔在有墊圈時的端視圖；圖8是管道探針沿線C-C的側(cè)剖圖；圖8a是安裝在煙霧檢測器本體上的探針端頭的端視圖；圖8b是探針沿線E-E的橫剖圖；圖8c是遠(yuǎn)離檢測器本體的探針端頭的端視圖；圖9是管道采樣探針的側(cè)視圖；圖10是一種可選的管道或管的采樣結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖11a和11b所示為一種可選的高容量探針的側(cè)視圖；圖12a所示為一種可選探針的剖視圖，其中，檢測器本體安裝件已經(jīng)取下；圖12f所示為高容量探針本體安裝件；圖12k所示為低容量探針本體安裝件；圖12b-12e和12g-12j所示為圖12a的探針的各個視圖；圖13a和13b所示為一種可選的低容量探針的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
通常，本發(fā)明的目的是利用成本低、尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高、可靠性好、維修少和使用壽命長以及適于大批量制造的裝置來檢測空氣傳播的微粒和/或根據(jù)微粒大小進(jìn)行判斷。這可以僅使用單個傳感器以及至少兩個便宜的光源而實(shí)現(xiàn)。使用單個傳感器以及它的相應(yīng)電子放大器將簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和降低系統(tǒng)成本，該相應(yīng)電子放大器需要設(shè)計(jì)成高靈敏度和低噪音。它還避免了附加傳感器可能出現(xiàn)的靈敏度和線性度不一致，也避免了由多個傳感器可能引起的噪音增加。
對空氣傳播的微粒的大小的判斷可以通過多種方式進(jìn)行。兩個或多個光源可以有不同的波長、偏振性、位置(特別是相對于檢測區(qū)軸線的入射立體角)或它們的組合。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所用的兩個發(fā)光二極管(LED)有不同的工作波長。可以采用相隔較遠(yuǎn)的430nm(藍(lán)色)和880nm(紅外)波長，這樣，波長能夠完全倍頻程(octave)分離。當(dāng)交替波長的光通過微粒朝傳感器散射時，這樣大的波長差能夠產(chǎn)生明顯不同的信號強(qiáng)度。也可選擇例如430nm(藍(lán)色)和660nm(紅色)的組合。間隔更近的波長例如525nm(綠色)和660nm(紅色)的組合也可以采用，對小微粒的大小判斷和靈敏性將相應(yīng)減小。
由Rayleigh理論可知，對于比光的波長更小的微粒，散射光的強(qiáng)度以波長的四次方減小。已經(jīng)證明，對于煙霧檢測，當(dāng)在實(shí)踐中采用能夠產(chǎn)生包含紅外、可視和紫外波長的完全光譜的氙燈時，為了檢測由火釋放的某些小微粒，需要藍(lán)色區(qū)域內(nèi)的波長。
因此，采用藍(lán)色光源的特殊優(yōu)點(diǎn)是，它的較短波長能夠提供對于較長波長無法看見的小微粒的較高分辨率。優(yōu)選是，藍(lán)色或紫色激光二極管可以作為藍(lán)色LED，前者較貴，將增加校準(zhǔn)的復(fù)雜性，需要自動功率控制，并且耐高溫性較低。已有的紅色和紅外激光二極管的組合也可采用，但是除了利用激光所存在的困難外，這些較長的波長不能充分分辨小微粒。
因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置成利用寬射束擴(kuò)展的高強(qiáng)度LED(大約12度)。盡管寬擴(kuò)展的LED射束可以通過利用透鏡聚焦而進(jìn)行約束，但是這增加了成本、校準(zhǔn)的復(fù)雜性以及產(chǎn)品的尺寸。而當(dāng)匯集到傳感器上時，從檢測區(qū)域的較大容積散射的LED光的聚集強(qiáng)度將進(jìn)行相當(dāng)大的放大。因此，基于LED的系統(tǒng)的靈敏度與基于激光的系統(tǒng)相當(dāng)，而且能在不減小可靠性的情況下降低成本。
不過，相同的發(fā)明也可以設(shè)置成采用激光二極管作為不同波長、偏振性或位置(角度)的可選光源。該裝置也能進(jìn)行微粒大小判斷，但是與LED設(shè)計(jì)方案相比成本更高，且耐溫性更低。
通過新結(jié)構(gòu)的光學(xué)室，就能夠使用LED，該新結(jié)構(gòu)的光學(xué)室能適應(yīng)各LED的較寬投射燈射束角，并與位于檢測區(qū)域后面的專門設(shè)計(jì)的光阱(lighttrap)相對，以便完全吸收殘余的投射光，從而防止它被傳感器檢測。該室還有一個光阱，該光阱與傳感器相對，并在檢測區(qū)域后面，以便防止殘余投射光被檢測。這樣，由殘余投射光與檢測的散射光相比而得到的信噪比將最大，以保證系統(tǒng)有非常高的靈敏度。這還可以通過使LED和傳感器與檢測區(qū)域相互緊密靠近來保證，這樣，平方反比的光強(qiáng)損失能減至最小。而且，優(yōu)選是使透鏡結(jié)合傳感器使用，以便從整個檢測區(qū)采集散射光，同時由于聚焦而使該室的壁表面的能見度減至最小。通過這些方法的組合，系統(tǒng)的靈敏度大約為0.01至0.1％/m的等效煙霧朦朧度(smoke obscuration)。
應(yīng)當(dāng)知道，利用較寬投射燈射束的能力將導(dǎo)致能夠在沒有昂貴的校準(zhǔn)光學(xué)裝置的情況下使用激光二極管。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，各光源依次進(jìn)行短周期脈沖，例如10mS。傳感器響應(yīng)各個波長的各個散射光脈沖而產(chǎn)生信號。系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，以便說明傳感器對各波長的靈敏性，優(yōu)選是在制造過程中調(diào)節(jié)LED投射的強(qiáng)度。信號利用數(shù)字濾波來放大，以便提高信噪比，并儲存脈沖信號的絕對和相對幅值。該絕對值表示微粒濃度，而該相對值表示微粒大小或一組微粒的平均大小。由Rayleigh理論可知，對于給定質(zhì)量濃度的空氣傳播微粒，長波長的光將在小微粒情況下產(chǎn)生較低幅值信號，或者在大微粒情況下產(chǎn)生較大幅值信號。而短波長的光在小微粒和大微粒情況下都將產(chǎn)生相對等幅值的信號。通過比較信號比，可以確定該微粒為較大還是較小。
在一定期間內(nèi)產(chǎn)生的信號根據(jù)趨勢進(jìn)行分析。較大微粒濃度的緩慢增長表示熱解和最終成為悶燒狀態(tài)。也可選擇，較小微粒的快速增加表示快速燃燒的火，在沒有前期的熱解和悶燒的情況下，則表示有促燃物(例如縱火)。在悶燒和火焰燃燒的情況下，該信息用于產(chǎn)生分開的警報輸出，或者也可選擇，在火焰燃燒的情況下(它更危險)減小警報激發(fā)界限值(即提供更早的警報)。
應(yīng)當(dāng)知道，只有煙霧濃度不能表示初發(fā)的火的危險程度。所檢測的濃度將取決于新鮮空氣對煙霧的稀釋程度，以及該初發(fā)的火靠近檢測器的距離。根據(jù)本發(fā)明，提供確定煙霧的性質(zhì)，可以確定需要發(fā)出警報的煙霧濃度，這適用于保護(hù)環(huán)境，從而在假警報很少的情況下提供早期警報。而且，該系統(tǒng)的低成本使得它能夠很方便地廣泛使用。
在本發(fā)明的還一實(shí)施例中，微粒大小判斷用于確定空氣傳播的灰塵成分，以便避免假警報，或者用于檢測保護(hù)環(huán)境內(nèi)的灰塵水平?？梢圆捎脙蓚€LED，但是通過采用附加的LED，可以在不同微粒大小范圍內(nèi)進(jìn)行判斷。
下面將參考附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，參考圖1，煙霧檢測器殼體10通過模制基本相同的兩半10a、10b(見圖4)而制成。兩個LED燈11布置成發(fā)出光，并使該光橫過檢測室12投射到由傳感器13觀察的區(qū)域內(nèi)。煙霧14沿箭頭15的方向吸入并橫過該室12，這樣，它能夠被投射燈11依次照射。由空氣傳播的煙霧微粒散射的某些光16通過聚焦透鏡17而被接收傳感器13捕獲。
一系列的光學(xué)膜片(iris)18確定了投射燈射束的分布，另一系列膜片19確定了傳感器13的觀察范圍。還提供有與各投射燈11相對的吸收器廊道39/40(光阱)，以便基本吸收全部基本保持未散射的光，從而防止在傳感器13處的散射光16被投射光淹沒。還提供有與傳感器相對的光阱20，以便進(jìn)一步保證基本沒有投射燈光能夠照射到傳感器上。
煙霧檢測器殼體10優(yōu)選是包括管道系統(tǒng)21，以便提供通過檢測器室12的氣流。該管道系統(tǒng)21可以包括一個與收集器23相對的噴嘴22，以便引導(dǎo)氣流橫過該室12，這樣，在煙霧水平降低時，該室將快速清除煙霧?；覊m過濾器33包含于管道系統(tǒng)的通路中。進(jìn)口擴(kuò)壓器24和出口擴(kuò)壓器25與灰塵過濾器腔室相連，該進(jìn)口擴(kuò)壓器和出口擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)成使氣流通過檢測器的壓頭損失(壓力降)最小，并有利于使較大過濾器33有較長的使用壽命。經(jīng)過一定年限后，少量的細(xì)小灰塵可能會通過該過濾器。微粒防止或減小污染，該噴嘴和收集器布置成能夠使灰塵在室壁和光學(xué)表面上的沉積最小。
圖1b和1c表示了圖1a的光源11的可選布置位置。這需要重新定位光阱39、40。在其它方面，圖1b和1c的特征與圖1所示以及相關(guān)說明相同。圖1b和1c并沒有表示出圖1a的全部詳細(xì)情況，這只是為了清楚。應(yīng)當(dāng)知道，圖1b和1c允許反向散射檢測或反向和正向散射的組合，即不同角度。
圖2表示了沿圖1的煙霧檢測器本體的線2-2的剖視圖。許多圖1a中所示的部件也以相同的參考標(biāo)號表示。圖2表示了主電子印刷電路板PCB1的優(yōu)選位置，以便與投射光源和接收傳感器高效和低干涉的電連接，該接收傳感器包括它的預(yù)放大印刷電路板PCB2。有利的是，該煙霧檢測器本體上半部分10b可以在不干擾與PCB1的連接的情況下拆下，以便進(jìn)行調(diào)定和維修。
參考圖3，圖中所示為沿圖1中的線3-3的橫剖圖，表示了包括墊圈和彎頭的氣體試樣進(jìn)口管道系統(tǒng)。
沿圖1中的線4-4的橫剖圖表示了它的過濾器室，如圖4所示。過濾器元件優(yōu)選是開口泡沫塑料結(jié)構(gòu)，具有相對較大的過濾孔孔徑，例如0.1mm。這使得灰塵微粒能夠在元件的整個較大深度中逐漸被擋住。采用這樣較大孔徑的裝置將使得即使當(dāng)過濾器有灰塵時，煙霧微粒不會被過濾器擋住，當(dāng)煙霧微粒被過濾器擋住時將減小檢測器對煙霧的靈敏度。該元件很容易取下，以便清洗或更新。
圖5是圖6中的煙霧檢測器本體沿線5-5的剖視圖。它表示了檢測器本體和檢測器殼體怎樣通過螺釘固定，并以分解圖表示了殼體可以在哪里安裝管道，例如圓形通風(fēng)管(圓形管道優(yōu)于扁平側(cè)面的管道)。例如，安裝可以通過螺釘、磁體或粘接帶進(jìn)行。
圖6所示為煙霧檢測器本體沿圖5中的線6-6的剖視圖。圖1a也表示了線6-6。在圖6中，表示了安裝在印刷電路板PCB1上的外部殼體以及墊圈31。該特殊結(jié)構(gòu)適于安裝管道，盡管本發(fā)明并不只局限于該用途。
圖7是煙霧檢測器本體的進(jìn)氣孔/出氣孔的端視圖，并以平面視圖表示了墊圈31。該墊圈有用于管道的可釋放座，該管道例如為非指定半徑的圓形通風(fēng)管。
下面的說明將涉及本發(fā)明的一個優(yōu)選結(jié)構(gòu)，并將參考圖8、8a、8b、8c和9。應(yīng)當(dāng)知道，下面的說明同樣可用于在圖11a、11b、12a-12k以及13a和13b中所示的可選高容量和低容量實(shí)施例。在各圖中采用相同的參考標(biāo)號，以避免重復(fù)。當(dāng)在管道中的流體流量較高時采用高容量實(shí)施例。這時，進(jìn)口開口和出口開口28和29分別設(shè)計(jì)成較小，這樣，對于高容量的流體流，將收集較小的試樣區(qū)域，并基本使相同容積的流體流向本發(fā)明的檢測器。同樣，低容量實(shí)施例設(shè)計(jì)成有相對較大的開口28和29，當(dāng)流體流體較低時，提供有較大的開口，以便將基本相同容量的流體流供給本發(fā)明的檢測器。
管道系統(tǒng)設(shè)置成具有合適的彎頭和適于安裝探針26的插座，該探針26從通風(fēng)管27中抽吸煙霧。優(yōu)選是，該探針26為單元結(jié)構(gòu)，包括進(jìn)口孔28和出口孔29，這樣，在管道壁上只需要一個穿透孔30，以便使探針26進(jìn)入。該孔利用閉孔泡沫塑料墊圈31來防止泄漏。圖8表示了沿圖8b中的線C-C的視圖。圖12a也表示了沿圖12c和12h中的線C-C的視圖。圖8a表示了沿圖8中的線D-D的視圖。圖12b表示了沿圖12a中的線D-D的視圖，用于高容量實(shí)施例。圖12g所示為沿圖12a中的線D-D的視圖，用于低容量實(shí)施例。圖8b表示了沿圖8中的線E-E的剖視圖，表示它包括具有可拆卸頭部的桿。圖12c和12h分別表示了高容量和低容量實(shí)施例的探針沿圖12a中的線E-E的視圖。圖8c所示為沿線F-F的視圖。圖12e和12j分別表示了高容量和低容量探針的平面圖。圖12d和121分別表示了高容量和低容量探針的頭部的剖視圖。
探針26只需要一個圓形的管道穿透孔就可以插入管道內(nèi)。探針插入成這樣，即使得它的進(jìn)口對著上游，使得它的出口對著下游。該探針設(shè)計(jì)成通過通風(fēng)管27中的氣流的動壓頭驅(qū)動而提供經(jīng)過檢測室12的足夠氣流量。該動壓頭產(chǎn)生橫過探針26的進(jìn)口孔28和出口孔29的壓力降，該壓力降足以克服檢測室12、管道系統(tǒng)21和管道過濾器33的組合阻力。通過采用圓形的進(jìn)口孔，并隨后通過彎頭來以最小損失改變試樣流的方向。出口處也是這樣。包括進(jìn)口和出口彎頭并不需要擴(kuò)大管道穿透孔。這樣的高效率使得能夠采用有效的灰塵過濾器，以便保證產(chǎn)品的較長工作壽命，例如在普通辦公室環(huán)境中為10年。通過有較長的工作壽命，非常合適的是(但并不是必須)該檢測器本體10可以很容易地拆卸，以便進(jìn)行清洗和重新標(biāo)定，從而不需要昂貴和難于進(jìn)行氣密的可拆卸過濾器芯子。探針的高效率也有助于使它用于以較低空氣速度例如4m/sec工作的通風(fēng)管中。為了用于低速通風(fēng)管中，還提供有可選的探針頭。它采用放大進(jìn)氣口設(shè)計(jì)，該放大進(jìn)氣口包括一擴(kuò)壓器，以便高效加速進(jìn)口空氣，從而使檢測器保持對煙霧的快速反應(yīng)。
參考圖8b和9，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，探針26構(gòu)成為有橢圓形或類似形狀的橫截面，這將使流阻減至最小(使在通風(fēng)管中的流動阻力減至最小)，同時減小由管道流動引起的Strouhal頻率的振動力。在圖8b和9所示的特殊實(shí)施例中，流阻的氣動系數(shù)與有一對相同尺寸的圓管的情況相比減小10倍。圖12b至12k表示了類似特性，但是為關(guān)于高容量和低容量探針。用橢圓形代替翼形的優(yōu)點(diǎn)是該探針可以以兩個方向安裝，探針的總寬度能減小，同時不會過度損害流阻的減小。通過進(jìn)一步添加桿部分，該探針26的長度可以延長，以便滿足不同尺寸的管路需要，從而保證在不需要抽氣器的情況下有足夠的氣流。管道27內(nèi)部的壓力可以與管道外部(檢測器通常安裝在外部)的大氣壓力明顯不同。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，最好如圖1和6所示，兩半室可拆開地通過圓管連續(xù)的O形密封環(huán)34而以氣密方式連接。這使得檢測器室的內(nèi)部壓力與通風(fēng)管的內(nèi)部壓力近似，并防止與外界大氣之間的泄漏。
檢測器中的泄漏將可能由于外界環(huán)境中的煙霧而引起意外警報。煙霧從檢測器泄漏到外界環(huán)境中將引起對環(huán)境進(jìn)行警戒的其它煙霧檢測裝置發(fā)出意外警報。
也可選擇，參考圖10，當(dāng)采用較小的管道或管時，該探針不合適，這時，該管道可以設(shè)置成提供有文氏管，該文氏管形成所需的壓力降，從而保證足夠流量通過檢測器室、過濾器和管道系統(tǒng)。再有，只需要很小部分的煙霧通過檢測器，該部分減至最小，以便使檢測器的污染速度和過濾器的負(fù)載減至最小，從而保持最大的維修時間間隔。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測在流體中懸浮的微粒的裝置，該裝置包括光源，該光源適于提供至少第一照射和第二照射；一微粒檢測區(qū)，試樣流體流將流過該微粒檢測區(qū)；邏輯裝置，用于通過第一或第二照射來交替照射檢測區(qū)；傳感器裝置，用于接收由在檢測區(qū)內(nèi)的微粒散射的光；以及輸出裝置，用于指示在檢測區(qū)中的預(yù)定狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微粒檢測裝置，其中該光源包括至少2個光源，裝置的部件機(jī)械固定就位，該第一和第二照射獨(dú)立進(jìn)行輻射，該第一和第二照射具有不同的偏振性，該第一和第二照射由不同位置提供，和/或該第一和第二照射具有不同波長，例如一個的光為較短波長，另一個的光為較長波長。
3.一種微粒檢測器，具有本體；至少兩個投射燈，該投射燈安裝在該本體內(nèi)，用于向接收空氣試樣的檢測區(qū)內(nèi)投射光；一個光接收傳感器，該光接收傳感器安裝在本體內(nèi)，用于接收從該檢測區(qū)散射的光，該投射燈用于向檢測區(qū)內(nèi)投射光，該裝置設(shè)置成這樣，即，照射在進(jìn)入檢測區(qū)的煙霧和灰塵微粒上的不同波長、偏振性和/或角度的脈沖投射光將產(chǎn)生散射光，該散射光表示煙霧微粒大小的范圍和/或灰塵微粒的存在，接收至少部分所述散射光的所述傳感器用于提供信號，通過分析信號，可以確定煙霧濃度和微粒大小和/或范圍。
4.一種微粒檢測器，包括一本體，該本體有一進(jìn)口，包括空氣的流體試樣能夠通過該進(jìn)口提供，該本體還有一輸出裝置，用于指示警報狀態(tài)；一微粒檢測單元，該微粒檢測單元包括光源和微粒大小判斷裝置，其中，通過分析在經(jīng)過預(yù)定時間后選定微粒大小的濃度變化，從而提供警報狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測單元，其中該微粒大小判斷裝置檢測較小和較大微粒大小的存在。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的檢測單元，其中，該微粒大小判斷裝置包括第一光源，用于檢測相對較小的微粒大?。灰约暗诙庠?，用于檢測相對較大的微粒大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測單元，其中該第一和第二光源交替起作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任意一個所述的檢測單元，其中該微粒大小判斷裝置利用相對較短波長的光和相對較長波長的光來檢測微粒大小。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任意一個所述的檢測單元，其中該微粒大小判斷裝置利用水平偏振的光和垂直偏振的光來檢測微粒大小。
10.一種煙霧檢測器，包括如權(quán)利要求4至9中任意一個所述的檢測單元。
11.一種灰塵檢測器，包括如權(quán)利要求4至9中任意一個所述的檢測單元。
12.一種煙霧檢測器，包括如權(quán)利要求1、2或3所述的微粒檢測器。
13.一種煙霧檢測器，包括如權(quán)利要求4至9中任意一個所述的檢測單元，該檢測單元將灰塵區(qū)別開，以避免假火警。
14.對熱解、悶燒和/或冒煙現(xiàn)象的警報狀態(tài)進(jìn)行檢測的方法，該方法包括以下步驟a.提供流體試樣；b.使由光源發(fā)射的光照射在流體試樣上；c.利用該發(fā)射光確定微粒大小；d.在經(jīng)過預(yù)定時間后，確定選定微粒大小和/或微粒范圍的數(shù)量或濃度是否變化；e.當(dāng)該確定步驟d落在選定的關(guān)鍵值內(nèi)時，發(fā)出警報。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所確定的微粒大小和/或微粒范圍是相對較小和相對較大的微粒大小和/或范圍。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中在確定微粒大小和/或微粒范圍時，采用第一光源以檢測第一范圍和/或相對較小微粒大小，以及采用第二光源以檢測第二范圍和/或相對較大微粒大小。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在確定微粒大小和/或范圍時，該第一和第二光源交替起作用。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任意一個所述的方法，其中在確定微粒大小和/或范圍時，采用波長相對較短的光和波長相對較長的光。
19.一種微粒和/或煙霧檢測器，可操作地用于根據(jù)權(quán)利要求14至18中任意一個所述的方法來檢測警報狀態(tài)。
20.一種探針，用于安裝在管道中，例如流體可流過的管道，該探針用于與根據(jù)權(quán)利要求1至13或19中任意一個所述的裝置、檢測器或檢測單元流體連通，該探針包括第一部分，用于安裝在管道內(nèi)；該第一部分有進(jìn)口，用于接收上游的流體流；以及出口部分，該出口部分有出口，用于輸出到下游的流體流中；該進(jìn)口和出口部分各有一槽道，該槽道彎曲，以便能改變探針內(nèi)的流體流的方向，同時基本使流阻減至最小。
全文摘要
本發(fā)明涉及對在流體中懸浮的微粒的檢測，尤其是煙霧檢測器(10)，該煙霧檢測器適于安裝在管道內(nèi)，以便早期檢測由與該管道相連的保護(hù)區(qū)或火區(qū)中的材料意外熱解或燃燒而產(chǎn)生的煙霧；本發(fā)明通過第一或第二照射(11)交替照射檢測區(qū)(12)。本發(fā)明的改進(jìn)在于能夠?qū)^寬范圍的微粒大小保持靈敏性，也能根據(jù)微粒大小判斷不同種類的煙霧或灰塵，同時還能獲得相對較長的使用壽命、較小尺寸、較輕重量和較低成本。
文檔編號G08B17/10GK1418358SQ01806612
公開日2003年5月14日 申請日期2001年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月10日
發(fā)明者馬丁·T·科爾 申請人:馬丁·T·科爾